DE112009003553B4

DE112009003553B4 - Piezoelektrischer leistungsgenerator

Info

Publication number: DE112009003553B4
Application number: DE112009003553.1T
Authority: DE
Inventors: Chikahiro Horiguchi
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2029-12-12
Also published as: DE112009003553T5; JPWO2010067620A1; US8330331B2; JP5304798B2; US20110227456A1; WO2010067620A1

Abstract

Ein piezoelektrischer Leistungsgenerator, der eine Umwandlung zwischen kinetischer Energie und elektrischer Energie durchführt, miteinem Balken (21),einem piezoelektrischen Element (22, 22A, 22B), das mit einer Oberfläche auf einer Seite des Balkens (21) verbunden ist, undeinem flexiblen Körper (50), der auf einer Seite des Balkens (21) angeordnet ist, die der Seite, auf der das piezoelektrische Element (22) vorgesehen ist, gegenüberliegt, und mit dem ein Abschnitt des Balkens (21) verbunden ist,wobei der Balken (21) derart vorgesehen ist, dass eine mechanische Spannung auf den Balken (21) ausgeübt wird, wenn der flexible Körper (50) zu einer Form verformt wird, die konkav in Bezug auf den Balken (21) ist, wohingegen keine mechanische Spannung auf den Balken (21) ausgeübt wird, wenn der flexible Körper (50) zu einer Form verformt wird, die konvex in Bezug auf den Balken (21) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische Leistungsgeneratoren und insbesondere piezoelektrische Leistungsgeneratoren, die elektrische Leistung erzeugen, indem sie kinetische Energie in elektrische Energie wandeln.
Stand der Technik
Bisher wurden bereits eine Vielzahl piezoelektrischer Leistungsgeneratoren vorgeschlagen, die piezoelektrische Elemente verwenden. Zum Beispiel wird ein piezoelektrischer Leistungsgenerator 101, der in 21 veranschaulicht ist, in der weiter unten genannten Patentliteratur 1 offenbart.
Der piezoelektrische Leistungsgenerator 101 ist mit einem piezoelektrischen Leistungserzeugungselement 102 ausgestattet. Das piezoelektrische Leistungserzeugungselement 102 ist ein Auslegerbalken, dessen eines Ende auf einer Seite ein feststehendes Ende ist, das an einem Haltebauglied 104 fixiert ist, und dessen anderes Ende auf der anderen Seite ein freies Ende ist. Das piezoelektrische Leistungserzeugungselement 102 ist mit zwei piezoelektrischen Elementen 103a und 103b ausgestattet, die zu einem einzigen Körper verbunden sind und frei schwingen, und mit einem Gewicht 100, das mit Abschnitten der piezoelektrischen Elemente 103a und 103b an den Seiten der freien Enden derselben verbunden ist.
Bei dem piezoelektrischen Leistungsgenerator 101 wird eine mechanische Spannung auf die piezoelektrischen Elemente 103a und 103b ausgeübt, wenn das piezoelektrische Leistungserzeugungselement 102 schwingt. Dadurch wird elektrische Leistung erzeugt.
Referenzliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanisches Patent JP 3170965 B2
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei dem piezoelektrischen Leistungsgenerator 101 wirken entgegengesetzte mechanische Spannungen, die eine Zugspannung und eine Druckspannung umfassen, in Übereinstimmung mit der auf das Gewicht 100 wirkenden Beschleunigung wechselweise auf die piezoelektrischen Elemente 103a und 103b ein. Folglich werden leicht Risse in den piezoelektrischen Elementen 103a und 103b erzeugt, die anfällig für eine Zugspannung sind. Deshalb ist die mechanische Zuverlässigkeit des piezoelektrischen Leistungsgenerators 101 bisher gering.
Angesichts dieser Probleme des Standes der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen piezoelektrischen Leistungsgenerator zu liefern, der eine hohe mechanische Zuverlässigkeit aufweist.
Problemlösung
Ein piezoelektrischer Leistungsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein piezoelektrischer Leistungsgenerator, der eine Umwandlung zwischen kinetischer Energie und elektrischer Energie leistet. Der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einem Balken, einem piezoelektrischen Element und einem flexiblen Körper ausgestattet. Das piezoelektrische Element ist mit einer Oberfläche auf einer Seite des Balkens verbunden. Der flexible Körper ist auf einer Seite des Balkens angeordnet, die derjenigen, auf der das piezoelektrische Element vorgesehen ist, gegenüberliegt. Ein Abschnitt des Balkens ist mit dem flexiblen Körper verbunden. Der Balken ist derart vorgesehen, dass eine mechanische Spannung auf den Balken ausgeübt wird, wenn der flexible Körper zu einer Form verformt wird, die konkav in Bezug auf den Balken ist, wohingegen keine mechanische Spannung auf den Balken ausgeübt wird, wenn der flexible Körper zu einer Form verformt wird, die konvex in Bezug auf den Balken ist.
Bei einem bestimmten spezifischen Aspekt des piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung ist das piezoelektrische Element auf der Seite der neutralen Oberfläche des Balkens vorgesehen, die derjenigen, auf der der flexible Körper vorgesehen ist, gegenüberliegt.
Bei einem anderen spezifischen Aspekt des piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das piezoelektrische Element ein piezoelektrisches Substrat, das aus einem piezoelektrischen Material gebildet ist.
Bei einem anderen spezifischen Aspekt des piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung ist das piezoelektrische Substrat aus einer piezoelektrischen Keramik gebildet.
Bei einem anderen spezifischen Aspekt des piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung ist der piezoelektrische Leistungsgenerator ferner mit einem Verbindungsabschnitt ausgestattet, der den flexiblen Körper mit dem Balken verbindet.
Bei einem anderen spezifischen Aspekt des piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Verbindungsabschnitt eine Elastizität auf.
Bei einem anderen spezifischen Aspekt des piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung ist der piezoelektrische Leistungsgenerator ferner mit einem Spannungsausübungsabschnitt ausgestattet, der an dem Balken oder dem flexiblen Körper vorgesehen ist und den Balken mit einer mechanischen Spannung versieht, wenn der flexible Körper zu einer Form verformt wird, die konkav in Bezug auf den Balken ist.
Bei einem anderen spezifischen Aspekt des piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Spannungsausübungsabschnitt dahin gehend vorgesehen, von dem Balken zu dem flexiblen Körper hin vorzustehen.
Bei einem anderen spezifischen Aspekt des piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Spannungsausübungsabschnitt dahin gehend vorgesehen, von dem flexiblen Körper zu dem Balken hin vorzustehen.
Bei einem anderen spezifischen Aspekt des piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Spannungsausübungsabschnitt eine Elastizität auf.
Bei einem anderen spezifischen Aspekt des piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung ist der flexible Körper eine flexible Platte, die parallel zu dem Balken ist.
Bei einem anderen spezifischen Aspekt des piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Balken ein rechteckiger, plattenförmiger Körper.
Bei einem anderen spezifischen Aspekt des piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung ist der flexible Körper aus einem Teil eines Reifens gebildet.
Bei einem anderen spezifischen Aspekt des piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung ist der piezoelektrische Leistungsgenerator mit einer Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen ausgestattet.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Bei der vorliegenden Erfindung ist der Balken derart vorgesehen, dass eine mechanische Spannung auf den Balken ausgeübt wird, wenn der flexible Körper zu einer Form verformt wird, die konkav in Bezug auf den Balken ist, wohingegen keine mechanische Spannung auf den Balken ausgeübt wird, wenn der flexible Körper zu einer Form verformt wird, die konvex in Bezug auf den Balken ist. Dadurch kann die Ausübung einer mechanischen Zugspannung auf das piezoelektrische Element unterdrückt werden. Deshalb ist eine Beschädigung des piezoelektrischen Elements unwahrscheinlich. Es kann also eine hohe mechanische Zuverlässigkeit verwirklicht werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
2 ist eine schematische Schnittansicht eines piezoelektrischen Elements.
3 ist eine schematische Seitenansicht, die den piezoelektrischen Leistungsgenerator veranschaulicht, wenn ein flexibler Körper zu einer Form verformt wird, die konkav in Bezug auf den Balken ist.
4 ist eine schematische Seitenansicht, die den piezoelektrischen Leistungsgenerator veranschaulicht, wenn der flexible Körper zu einer Form verformt wird, die konvex in Bezug auf den Balken ist.
5 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß einer ersten Modifikation.
6 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß einer zweiten Modifikation.
7 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß einer dritten Modifikation.
8 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß einer vierten Modifikation.
9 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß einer fünften Modifikation.
10 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
11 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß einer sechsten Modifikation.
12 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß einer siebten Modifikation.
13 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß einer achten Modifikation.
14 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß einer neunten Modifikation.
15 ist eine schematische Seitenansicht, die veranschaulicht, wie der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird.
16 ist eine schematische Ansicht, die die mechanische Spannungsverteilung und die neutrale Oberfläche in einem Abschnitt des Balkens und des piezoelektrischen Elements, wenn der Balken einer einfachen Biegung unterworfen ist, veranschaulicht.
17 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Reifens und der auf das piezoelektrische Element einwirkenden mechanischen Spannung veranschaulicht.
18(a) bis 18(c) sind schematische Diagramme, die den Reifen in einem Bewegungszustand veranschaulichen.
19(a) bis 19(c) sind schematische Diagramme, die den Reifen in einem Fall veranschaulichen, in dem sich der Reifen auf einer Straße, auf der sich ein Hindernis befindet, bewegt.
20 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß einer zehnten Modifikation.
21 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines in der Patentliteratur 1 beschriebenen piezoelektrischen Leistungsgenerators.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Im Folgenden werden spezifische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu verdeutlichen.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
1 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators 10a gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der in 1 veranschaulichte piezoelektrische Leistungsgenerator 10a ist eine Vorrichtung zum Umwandeln von kinetischer Energie in elektrische Energie. Der piezoelektrische Leistungsgenerator 10a ist zum Beispiel in einem Reifen eines Kraftfahrzeugs angeordnet und wird in geeigneter Weise als Leistungsquelle eines Reifenluftdruck-Messsensors oder ähnliches verwendet. Die Verwendung eines piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Ein piezoelektrischer Leistungsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung kann an Vorrichtungen oder ähnlichem angebracht werden, die sich zusammen mit dem piezoelektrischen Leistungsgenerator verformen, und kann als Leistungsquelle für verschiedene andere Vorrichtungen als einen Reifenluftdruck-Messsensor verwendet werden.
Wie in 1 veranschaulicht, ist der piezoelektrische Leistungsgenerator 10a mit einem Balken 21 ausgestattet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Balken 21 ein rechteckiger, plattenförmiger Körper. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Balken jedoch nicht auf eine bestimmte Form beschränkt. Der Balken kann zum Beispiel eine Form einer polygonalen Säule, eine zylindrische Form, eine Form eines polyedrischen Kegels oder eine U-Form aufweisen.
Der Balken 21 ist ein elastischer Körper, der Elastizität aufweist. Insbesondere kann der Balken 21 zum Beispiel aus einem Metall wie etwa Eisen, Kupfer oder Aluminium, aus einer Legierung wie etwa Edelstahl oder Duralumin oder aus Kunststoff gebildet sein.
Ein piezoelektrisches Element 22 ist mit einer Oberfläche 21a auf einer Seite des Balkens 21 verbunden. Es können verschiedene Verfahren zum Verbinden des piezoelektrischen Elements 22 mit dem Balken 21 verwendet werden, wobei zum Beispiel ein Haftmittel oder ähnliches verwendet werden kann, um das piezoelektrische Element 22 mit den Balken 21 zu verbinden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das piezoelektrische Element 22 auf der Seite der neutralen Oberfläche des Balkens 21 vorgesehen, die derjenigen gegenüberliegt, auf der der flexible Körper 50 vorgesehen ist. Der Begriff „neutrale Oberfläche“ bezieht sich hier auf eine Oberfläche, deren Länge sich in einem reinen Biegungszustand nicht verändert. Der Begriff „reiner Biegungszustand“ bezieht sich auf einen Zustand, in dem die Scherkraft gleich null ist und nur das Biegemoment wirkt.
Die neutrale Oberfläche des Balkens 21 ist in einem Zustand, in dem keine externen Kräfte auf den piezoelektrischen Leistungsgenerator 10a wirken, nicht notwendigerweise flach.
2 ist eine schematische Schnittansicht des piezoelektrischen Elements 22. Wie in 2 veranschaulicht, umfasst das piezoelektrische Element 22 ein piezoelektrisches Substrat 22a und eine erste und eine zweite Elektrode 22b und 22c.
Das piezoelektrische Substrat 22a ist aus einem piezoelektrischen Material gebildet. Spezifische Beispiele für piezoelektrische Materialien umfassen etwa piezoelektrische Keramiken wie etwa Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und ähnliches. Das piezoelektrische Substrat 22a kann zum Beispiel aus LiTaO₃, LiNbO₃ oder Quarz gebildet sein, wobei das piezoelektrische Substrat 22a jedoch vorzugsweise aus PZT gebildet ist, das einen hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten aufweist.
Die erste Elektrode 22b ist auf einer Oberfläche 22a1 auf einer Seite des piezoelektrischen Substrats 22a vorgesehen. Die zweite Elektrode 22c ist auf einer Oberfläche 22a2 auf der anderen Seite des piezoelektrischen Substrats 22a vorgesehen. Die erste und die zweite Elektrode 22b und 22c sind Elektroden zum Abführen einer durch das piezoelektrische Substrat 22a erzeugten elektrischen Spannung.
Es können verschiedene Materialien für die Bildung der ersten und der zweiten Elektrode 22b und 22c verwendet werden, solange es sich um ein elektrisch leitendes Material handelt. Die erste und die zweite Elektrode 22b und 22c können zum Beispiel aus einem Metall wie etwa Ag, Cu, Au, Pt, Ni oder Cr oder aus einer wenigstens eines dieser Metalle enthaltenden Legierung wie etwa einer Ag-Pd-Legierung oder einer Ni-Cr-Legierung gebildet werden.
Wie in 1 veranschaulicht, ist der flexible Körper 50 auf einer Seite des Balkens 21 angeordnet, die derjenigen, auf der das piezoelektrische Element 22 vorgesehen ist, gegenüberliegt. Der flexible Körper 50 ist eine flexible Platte, die parallel zu dem Balken 21 ist. Der flexible Körper 50 ist aus einem elastischen Körper gebildet, der sich elastisch verformt, wenn er einer mechanischen Spannung unterworfen wird. Insbesondere kann der flexible Körper 50 zum Beispiel aus einem Metall, einer Legierung oder einem Kunststoff gebildet sein.
Ein Teil des flexiblen Körpers 50 und ein Teil des Balkens 21 sind miteinander verbunden. Insbesondere sind bei diesem Ausführungsbeispiel sind ein Endabschnitt auf einer Seite des flexiblen Körpers 50 und ein Endabschnitt auf einer Seite des Balkens 21 miteinander verbunden, wobei die Endabschnitte jeweils auf einer Seite in einer x-Richtung angeordnet sind, die orthogonal zu einer Richtung ist, in der sich der flexible Körper 50 verformt und die dieselbe ist wie eine z-Richtung, die normal zu den Oberflächen des Balkens 21 und des flexiblen Körpers 50 ist. Insbesondere sind bei diesem Ausführungsbeispiel ein Endabschnitt auf einer Seite des flexiblen Körpers 50 und ein Endabschnitt auf einer Seite des Balkens 21 über einen Verbindungsabschnitt 30 miteinander verbunden.
Der Verbindungsabschnitt 30 weist vorzugsweise eine Elastizität auf. Insbesondere kann der Verbindungsabschnitt 30 zum Beispiel aus einem Metall, einer Legierung oder einem Kunststoff gebildet sein.
Weiterhin ist ein Spannungsausübungsabschnitt 40 bei dem piezoelektrischen Leistungsgenerator 10a vorgesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Spannungsausübungsabschnitt 40 an dem Balken 21 vorgesehen. Der Spannungsausübungsabschnitt 40 ist also mit dem Balken 21 verbunden. Insbesondere ist der Spannungsausübungsabschnitt 40 mit einem Endabschnitt des Balkens 21 auf der Seite, die der Seite des Verbindungsabschnitts 30 in der x-Richtung gegenüberliegt, verbunden. Der Spannungsausübungsabschnitt 40 erstreckt sich in der z-Richtung von dem Balken 21. Der Spannungsausübungsabschnitt 40 ist also dahin gehend vorgesehen, von dem Balken 21 zu dem flexiblen Körper 50 hin vorzustehen. Wie weiter unten im Detail beschrieben wird, übt der Spannungsausübungsabschnitt 40 eine mechanische Spannung auf den Balken 21 aus, wenn der flexible Körper 50 zu einer Form verformt wird, die konkav in Bezug auf den Balken 21 ist, und übt keine mechanische Spannung auf den Balken 21 aus, wenn der flexible Körper 50 zu einer Form verformt wird, die konvex in Bezug auf den Balken 21 ist.
Der Spannungsausübungsabschnitt 40 weist vorzugsweise eine Elastizität auf. Insbesondere kann der Spannungsausübungsabschnitt 40 zum Beispiel aus einem Metall, einer Legierung, einem Kunststoff oder einem Gummi gebildet sein.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Balken 21, der flexible Körper 50, der Verbindungsabschnitt 30 und der Spannungsausübungsabschnitt 40 aus einer einzelnen elastischen Platte ausgebildet. Bei der vorliegenden Erfindung müssen der Balken, der flexible Körper, der Verbindungsabschnitt und der Spannungsausübungsabschnitt jedoch nicht notwendigerweise als ein einziger Körper gebildet sein. Zum Beispiel können der Balken, der flexible Körper, der Verbindungsabschnitt und der Spannungsausübungsabschnitt auch aus einer Mehrzahl von Baugliedern gebildet sein.
Mit Bezug auf 3 und 4 wird im Folgenden beschrieben, wie elektrische Leistung durch den piezoelektrischen Leistungsgenerator 10a gemäß diesem Ausführungsbeispiel erzeugt wird.
Wenn, wie in 3 veranschaulicht, eine externe Kraft auf den flexiblen Körper 50 wirkt und der flexible Körper 50 zu einer Form verformt wird, die konkav in Bezug auf den Balken 21 ist, wird durch den Spannungsausübungsabschnitt 40 eine mechanische Spannung auf den Balken 21 ausgeübt. Deshalb wird auch der Balken 21 ähnlich wie der flexible Körper 50 konkav verformt. Folglich wird das piezoelektrische Substrat 22a des piezoelektrischen Elements 22 einer mechanischen Druckspannung unterworfen. Dadurch wird elektrische Leistung in dem piezoelektrischen Substrat 22a erzeugt. Diese elektrische Leistung wird über die erste und die zweite Elektrode 22b und 22c abgeführt.
Wenn im Gegensatz dazu, wie in 4 veranschaulicht, eine externe Kraft auf den flexiblen Körper 50 wirkt und der flexible Körper 50 zu einer Form verformt wird, die konvex in Bezug auf den Balken 21 ist, trennen sich der Spannungsausübungsabschnitt 40 und der flexible Körper 50 voneinander, da der Spannungsausübungsabschnitt 40 nicht an dem flexiblen Körper 50 fixiert ist. Dementsprechend wird im Wesentlichen keine mechanische Spannung auf den Balken 21 und auf das mit dem Balken 21 verbundene piezoelektrische Element 22 ausgeübt. Folglich ist es auch in dem Fall, dass eine externe Kraft auf den flexiblen Körper 50 wirkt und der flexible Körper 50 zu einer Form verformt wird, die bezüglich des Balkens 21 konvex ist, unwahrscheinlich, dass eine mechanische Zugspannung auf das piezoelektrische Substrat 22a des piezoelektrischen Elements 22 ausgeübt wird.
Bei dem piezoelektrischen Leistungsgenerator 10a dieses Ausführungsbeispiels wird somit eine Druckspannung auf das piezoelektrische Element 22 ausgeübt, und dadurch wird elektrische Leistung erzeugt und die Ausübung einer Zugspannung auf das piezoelektrische Element 22 wird unterdrückt. Deshalb kann eine Beschädigung des piezoelektrischen Elements 22, das leicht durch eine Zugspannung beschädigt werden kann, effektiv unterdrückt werden. Folglich kann ein piezoelektrischer Leistungsgenerator 10a mit einer hohen mechanischen Zuverlässigkeit verwirklicht werden.
Im Folgenden werden andere vorzuziehende Ausführungsbeispiele eines Ausführens der vorliegenden Erfindung sowie Modifikationen derselben beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden Komponenten, die im Wesentlichen dieselben Funktionen wie die Komponenten des ersten Ausführungsbeispiels erfüllen, durch gleiche Symbole angegeben, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird.
(Erste Modifikation)
5 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators 10b gemäß einer ersten Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem der Balken 21 und der flexible Körper 50 über den Verbindungsabschnitt 30 miteinander verbunden sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel können der Balken 21 und der flexible Körper 50 wie in 5 veranschaulicht auch unter Verwendung eines Haftmittels 31 direkt miteinander verbunden sein. In dem in 5 veranschaulichten Fall wird eine mechanische Druckspannung auf das piezoelektrische Element 22 ausgeübt, wenn nicht gefahren wird, und kann die Ausübung einer mechanischen Zugspannung auf das piezoelektrische Element 22 effektiver unterdrückt werden.
Im Fall eines direkten Miteinanderverbindens des Balkens 21 und des flexiblen Körpers 50 können verschiedene Verfahren verwendet werden, um den Balken 21 und den flexiblen Körper 50 direkt miteinander zu verbinden. Zum Beispiel können der Balken 21 und der flexible Körper 50 wie oben beschrieben mittels eines Haftmittels aneinander gebondet werden, oder der Balken 21 und der flexible Körper 50 können durch Schweißen oder ähnliches miteinander verbunden werden.
Weiterhin wurde bei dem ersten Ausführungsbeispiel ein Beispiel beschrieben, bei dem der Balken 21, der flexible Körper 50, der Verbindungsabschnitt 30 und der Spannungsausübungsabschnitt 40 aus einer einzigen elastischen Platte gebildet sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel können der Balken 21 und der Spannungsausübungsabschnitt 40 sowie der flexible Körper 50 wie in 5 veranschaulicht als separate Bauglieder gebildet sein.
Ferner wurde bei dem ersten Ausführungsbeispiel ein Beispiel beschrieben, bei dem der flexible Körper 50 eine flache, plattenartige Form aufweist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann der flexible Körper 50 wie in 5 veranschaulicht gekrümmt sein.
(Zweite Modifikation)
6 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators 10c gemäß einer zweiten Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel und der ersten Modifikation wurden Fälle beschrieben, in denen der Spannungsausübungsabschnitt 40 an dem Balken 21 vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann wie in 6 veranschaulicht der Spannungsausübungsabschnitt 40 derart gebildet sein, dass er mit dem flexiblen Körper 50 integriert ist. Bei dem in 6 veranschaulichten piezoelektrischen Leistungsgenerator 10c ist der Spannungsausübungsabschnitt 40 dahin gehend vorgesehen, von dem flexiblen Körper 50 zu dem Balken 21 vorzustehen. In diesem Fall ist der Freiheitsgrad beim Auswählen des Materials des Balkens 21 größer.
(Dritte Modifikation)
7 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators 10d gemäß einer dritten Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel und der ersten und der zweiten Modifikation wurden Beispiele beschrieben, bei denen der Spannungsausübungsabschnitt 40 zusammen mit dem flexiblen Körper 50 und dem Balken 21 vorgesehen ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Spannungsausübungsabschnitt jedoch keine wesentliche Struktur. Zum Beispiel braucht der Spannungsausübungsabschnitt 40 nicht vorgesehen zu sein, wie in 7 veranschaulicht ist. Wenn bei dem in 7 veranschaulichten piezoelektrischen Leistungsgenerator 10d der flexible Körper 50 zu einer Form verformt wird, die konkav in Bezug auf den Balken 21 ist, übt der flexible Körper 50 direkt eine mechanische Spannung auf den Balken 21 aus. Dadurch wird der Balken 21 verformt. Das heißt, bei dieser Modifikation funktioniert der flexible Körper 50 auch als Spannungsausübungsabschnitt.
(Vierte und fünfte Modifikation)
8 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators 10e gemäß einer vierten Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels. 9 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators 10f gemäß einer fünften Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel und der ersten und der zweiten Modifikation wurden Beispiele beschrieben, bei denen der Spannungsausübungsabschnitt 40 ein rechteckiges Parallelepiped ist, das aus Metall oder ähnlichem gebildet ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann der Spannungsausübungsabschnitt 40 wie in 8 und 9 veranschaulicht aus einer Feder gebildet sein. Insbesondere ist bei dem in 8 veranschaulichten piezoelektrischen Leistungsgenerator 10e der Spannungsausübungsabschnitt 40 aus einer Schraubenfeder gebildet. Bei dem in 9 veranschaulichten piezoelektrischen Leistungsgenerator 10f ist der Spannungsausübungsabschnitt 40 aus einer Blattfeder gebildet. In diesen Fällen ist es möglich, die Ausübung einer Stoßbelastung auf den Balken 21 und das piezoelektrische Element 22 effektiv zu unterdrücken. Deshalb kann der piezoelektrische Leistungsgenerator 10e mit einer größeren mechanischen Zuverlässigkeit realisiert werden.
Ferner wurde bei dem ersten Ausführungsbeispiel ein Beispiel beschrieben, bei dem nur ein einziges piezoelektrisches Element 22 vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann wie in 9 veranschaulicht eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 22A und 22B an dem Balken 21 vorgesehen sein. Somit können in dem Fall, in dem die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 22A und 22B vorgesehen ist, die Elektrische-Leistung-Eigenschaften des piezoelektrischen Leistungsgenerators 10f verändert werden, indem die elektrische Kopplung zwischen der Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 22A und 22B geändert wird.
Bei dieser Modifikation wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 22A und 22B parallel an dem Balken 21 angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann eine Mehrzahl von piezoelektrischen Substraten übereinander an dem Balken angeordnet sein.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
10 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators 10g gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem der Verbindungsabschnitt 30 einen Endabschnitt auf einer Seite des Balkens 21 in der x-Richtung mit einem Endabschnitt auf einer Seite des flexiblen Körpers 50 in der x-Richtung verbindet und der Spannungsausübungsabschnitt 40 an einem Endabschnitt auf der anderen Seite des Balkens 21 in der x-Richtung vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt.
Wie in 10 veranschaulicht ist, verbindet bei dem piezoelektrischen Leistungsgenerator 10g gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Verbindungsabschnitt 30 einen mittleren Abschnitt des Balkens 21 in der x-Richtung mit dem flexiblen Körper 50. Spannungsausübungsabschnitte 40a und 40b sind an beiden Endabschnitten des Balkens in der x-Richtung vorgesehen.
Bei dem piezoelektrischen Leistungsgenerator 10g dieses Ausführungsbeispiels ist es ähnlich wie bei dem piezoelektrischen Leistungsgenerator 10a des ersten Ausfiihrungsbeispiels nicht wahrscheinlich, dass eine mechanische Zugspannung auf das piezoelektrische Element 22 wirkt. Deshalb kann eine hohe mechanische Zuverlässigkeit verwirklicht werden.
(Sechste bis neunte Modifikation)
11 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators 10h gemäß einer sechsten Modifikation, die eine Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels ist.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem der Balken 21 und der flexible Körper 50 über den Verbindungsabschnitt 30 miteinander verbunden sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel können wie in 11 veranschaulicht der Balken 21 und der flexible Körper 50 auch mittels des Haftmittels 31 direkt miteinander verbunden sein.
12 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators 10i gemäß einer siebten Modifikation, die eine Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels ist. Wie in 12 veranschaulicht, können die Spannungsausübungsabschnitte 40a und 40b dahin gehend vorgesehen sein, von dem flexiblen Körper 50 zu dem Balken 21 vorzustehen.
13 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators 10j gemäß einer achten Modifikation, die eine Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels ist. Wie in 13 veranschaulicht, braucht kein Spannungsausübungsabschnitt vorgesehen zu sein.
14 ist eine schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Leistungsgenerators 10k gemäß einer neunten Modifikation, die eine Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels ist. Wie in 14 veranschaulicht, können die Spannungsausübungsabschnitte 40a und 40b zum Beispiel aus Federn gebildet sein. Weiterhin kann eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 22A und 22B vorgesehen sein.
(Art und Weise der Verwendung des piezoelektrischen Leistungsgenerators)
15 ist eine schematische Seitenansicht, die veranschaulicht, wie der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird.
Im Folgenden wird die Art und Weise der Verwendung des piezoelektrischen Leistungsgenerators gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel als Beispiel für die Art und Weise der Verwendung eines piezoelektrischen Leistungsgenerators, bei dem die vorliegende Erfindung implementiert wurde, beschrieben.
Wie in 15 veranschaulicht ist, wird der piezoelektrische Leistungsgenerator 10a zum Beispiel verwendet, indem er an der Innenwand eines Reifens 60 befestigt wird. Bei dem in 15 veranschaulichten Beispiel ist der piezoelektrische Leistungsgenerator 10a derart an dem Reifen 60 befestigt, dass die Richtung, in der sich die neutrale Achse des Balkens 21 erstreckt, und die Drehrichtung R des Reifens 60 dieselbe sind. Jedoch ist das Verfahren zum Befestigen des piezoelektrischen Leistungsgenerators 10a an dem Reifen 60 nicht auf eine spezielles beschränkt. Zum Beispiel kann der piezoelektrische Leistungsgenerator 10a unter Verwendung eines Haftmittels an dem Reifen 60 befestigt werden. Ferner kann der piezoelektrische Leistungsgenerator 10a an dem Reifen 60 befestigt werden, indem er in den Reifen 60 hinein geformt wird oder an einen Metalldraht in dem Reifen 60 geschweißt wird.
16 ist eine schematische Ansicht, die die mechanische Spannungsverteilung und die neutrale Oberfläche in einem Abschnitt des Balkens 21 und des piezoelektrischen Elements 22, wenn der Balken 21 einer einfachen Biegung unterworfen ist, veranschaulicht. 17 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Reifens 60 und der auf das piezoelektrische Element 22 wirkenden mechanischen Spannung veranschaulicht. 18(a) bis 18(c) sind schematische Diagramme, die den Reifen in einem Bewegungszustand zeigen. 19(a) bis 19(c) sind schematische Diagramme, die den Reifen in einem Fall veranschaulichen, in dem sich der Reifen auf einer Straße mit einem Hindernis bewegt.
Als Nächstes wird der Betrieb des derart verwendeten piezoelektrischen Leistungsgenerators 10a zum Erzeugen elektrischer Leistung mit Bezug auf 16 bis 19 beschrieben.
In einem Fall, in dem, wie in 18(a) veranschaulicht ist, ein Abschnitt des Reifens 60, an dem der piezoelektrische Leistungsgenerator 10a vorgesehen ist, nicht in Kontakt mit dem Untergrund 70 ist, ist der flexible Körper 50, der mit einer Innenumfangsoberfläche des in der Drehrichtung gekrümmten Reifens 60 verbunden ist, entlang der Innenumfangsoberfläche des Reifens 60 gekrümmt. Dementsprechend befinden sich der Balken 21 und das piezoelektrische Element 22 in einem konvex zu dem Untergrund 70 gekrümmten Zustand. Deshalb tritt, wie in 16 und 17 veranschaulicht ist, ein Zustand ein, in dem eine Druckspannung auf das piezoelektrische Element 22 ausgeübt wird.
Als Nächstes nimmt der flexible Körper 50 in einem Zustand, in dem dann, wie in 18(b) veranschaulicht ist, der Abschnitt des Reifens 60, in dem der piezoelektrische Leistungsgenerator 10a vorgesehen ist, in Kontakt mit dem Untergrund 70 ist, eine im wesentlichen flache, plattenartige Form an. Dementsprechend tritt, wie in 17 veranschaulicht ist, ein Zustand ein, in dem nur eine geringe Druckspannung oder gar keine mechanische Spannung auf das piezoelektrische Element 22 wirkt.
Als Nächstes gilt, dass, wenn wiederum, wie in 18(c) veranschaulicht ist, erneut ein Zustand eintritt, in dem der Abschnitt des Reifens 60, in dem der piezoelektrische Leistungsgenerator 10a vorgesehen ist, nicht in Kontakt mit dem Untergrund 70 ist, wie in 17 veranschaulicht ist, ein Zustand eintritt, in dem eine Druckspannung auf das piezoelektrische Element 22 ausgeübt wird.
Die Größe der auf das piezoelektrische Element 22 wirkenden Druckspannung variiert also in Übereinstimmung mit der Drehung des Reifens 60. Dadurch wird elektrische Leistung erzeugt. Während dieses Vorgangs der Erzeugung von elektrischer Leistung, wie er oben beschrieben wurde, in dem piezoelektrischen Leistungsgenerator 10a wirkt nur eine Druckspannung auf das piezoelektrische Element 22, und es ist nicht wahrscheinlich, dass eine Zugspannung auf das piezoelektrische Element 22 wirkt. Insbesondere in dem Fall, in dem das piezoelektrische Element 22, wie in 17 veranschaulicht, zuvor eine Druckspannung erfährt, indem der Balken 21 und das piezoelektrische Element 22 gebogen werden, ist das Einwirken einer Zugspannung auf das piezoelektrische Element 22 noch weniger wahrscheinlich. In dem Fall, in dem der Reifen 60, wie in 19(b) veranschaulicht ist, ferner über das Hindernis 90 auf dem Untergrund 70 läuft und der flexible Körper 50 zu einer Form verformt wird, die konvex in Bezug auf den Balken 21 ist, werden der Balken 21 und das piezoelektrische Element 22 im wesentlichen nicht verformt. Es ist also nicht wahrscheinlich, dass eine Zugspannung auf das piezoelektrische Element 22 wirkt. Dadurch wird eine Beschädigung des piezoelektrischen Elements 22, das anfällig für eine Zugspannung ist, effektiv unterdrückt.
Ein Verfahren, bei dem eine Druckspannung zuvor auf das piezoelektrische Element 22 ausgeübt wird, kann ebenfalls als Beispiel für ein Verfahren angegeben werden, bei dem das piezoelektrische Element 22 mit dem Balken 21 verbunden wird, der konvex von dem flexiblen Körper 50 weg gebogen ist.
Es wurde hier ein Beispiel beschrieben, bei dem der flexible Körper 50 separat zu dem Reifen 60, der eine Verformung erfährt, vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann der flexible Körper wie in 20 veranschaulicht aus dem Reifen 60 gebildet sein. Dabei kann der Balken 21 mit der Innenumfangsoberfläche des Reifens 60 verbunden sein.
Bezugszeichenliste

10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h, 10i, 10j, 10k ...: piezoelektrischer Leistungsgenerator
21 ...: Balken
21a ...: Oberfläche des Balkens
22, 22A, 22B ...: piezoelektrisches Element
22a ...: piezoelektrisches Substrat
22a1, 22a2 ...: Oberfläche des piezoelektrischen Substrats
22b ...: erste Elektrode
22c ...: zweite Elektrode
30 ...: Verbindungsabschnitt
31 ...: Haftmittel
40, 40a, 40b ...: Spannungsausübungsabschnitt
50 ...: flexibler Körper
60 ...: Reifen
70 ...: Untergrund
90 ...: Hindernis

Claims

Ein piezoelektrischer Leistungsgenerator, der eine Umwandlung zwischen kinetischer Energie und elektrischer Energie durchführt, mit einem Balken (21), einem piezoelektrischen Element (22, 22A, 22B), das mit einer Oberfläche auf einer Seite des Balkens (21) verbunden ist, und einem flexiblen Körper (50), der auf einer Seite des Balkens (21) angeordnet ist, die der Seite, auf der das piezoelektrische Element (22) vorgesehen ist, gegenüberliegt, und mit dem ein Abschnitt des Balkens (21) verbunden ist, wobei der Balken (21) derart vorgesehen ist, dass eine mechanische Spannung auf den Balken (21) ausgeübt wird, wenn der flexible Körper (50) zu einer Form verformt wird, die konkav in Bezug auf den Balken (21) ist, wohingegen keine mechanische Spannung auf den Balken (21) ausgeübt wird, wenn der flexible Körper (50) zu einer Form verformt wird, die konvex in Bezug auf den Balken (21) ist.
Der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß Anspruch 1, bei dem das piezoelektrische Element (22) auf der Seite der neutralen Oberfläche des Balkens (21) vorgesehen ist, die jener, auf der der flexible Körper (50) vorgesehen ist, gegenüberliegt.
Der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das piezoelektrische Element (22) ein piezoelektrisches Substrat (22a) umfasst, das aus einem piezoelektrischen Material gebildet ist.
Der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß Anspruch 3, bei dem das piezoelektrische Substrat (22a) aus einer piezoelektrischen Keramik gebildet ist.
Der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, der ferner einen Verbindungsabschnitt (30) umfasst, der den flexiblen Körper (50) mit dem Balken (21) verbindet.
Der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß Anspruch 5, bei dem der Verbindungsabschnitt (30) eine Elastizität aufweist.
Der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, der ferner einen Spannungsausübungsabschnitt (40, 40a, 40b) umfasst, der an dem Balken (21) oder dem flexiblen Körper (50) vorgesehen ist und eine mechanische Spannung auf den Balken (21) ausübt, wenn der flexible Körper (50) zu einer Form verformt wird, die konkav in Bezug auf den Balken (21) ist.
Der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß Anspruch 7, bei dem der Spannungsausübungsabschnitt (40, 40a, 40b) dahin gehend vorgesehen ist, von dem Balken (21) zu dem flexiblen Körper (50) vorzustehen.
Der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß Anspruch 7, bei dem der Spannungsausübungsabschnitt (40, 40a, 40b) dahin gehend vorgesehen ist, von dem flexiblen Körper (50) zu dem Balken (21) vorzustehen.
Der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der Spannungsausübungsabschnitt (40, 40a, 40b) eine Elastizität aufweist.
Der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der flexible Körper (50) eine flexible Platte ist, die parallel zu dem Balken (21) ist.
Der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Balken (21) ein rechteckiger, plattenförmiger Körper ist.
Der piezoelektrische Leistungsgenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen (22A, 22B) vorgesehen ist.